简述GaN功率器件应用可靠性增长研究技术新闻资讯

随着现代雷达技术的发展和武器装备需求的变化,雷达装备需要对导弹、隐身飞机、临近空间飞行器、巡航导弹和无人机等新的目标进行精密探测。上述目标都具有反射面积小、飞行高度和飞行速度变化范围大、来袭空域广等特点,给雷达预警探测系统带来极大的挑战。为了继续保证实现雷达威力等指标,对高功率固态发射机提出了更高要求,需要射频功率放大器提升输出功率。同时,舰载、机载和星载等平台对雷达的尺寸和重量提出了更严苛的要求,需要射频功率放大器具备更小的体积、重量和更高的功率密度。

GaN功率器件具有高功率、高效率、高可靠等特点,已广泛应用于各种平台和领域。为了更好地满足现代雷达及装备发展需求,需要进一步提高GaN射频功率器件的漏源工作电压来提升输出功率和功率密度。但GaN功率器件高漏源偏置电压、高增益、高输入饱和特性、伴随高功率输出的高结温问题以及长期应用可靠性问题需要研究解决。

1GaN功率放大器电路设计

GaN功率器件主要应用在雷达T/R组件或发射组件中,完成发射信号的放大,主要工作方式为脉冲工作,追求长脉宽、高占空比和高功率。由于T/R组件收发分时工作,为确保接收信号不受发射大功率信号干扰,T/R组件中用于收发切换的环行器隔离度一般小于20dB。功率放大器在雷达处于接收时域时,如果发射通道的功率放大器的漏极电压开启,会产生静态电流,从而产生热噪声,影响接收通道的噪声系数。为了避免发射功放加电时影响接收通道噪声系数,接收通道工作时需要关闭发射通道的漏极电压。同时GaN功率器件的栅压通常为负偏置,当栅压不加电而漏压加电后,GaN功率器件的漏极静态电流会急剧增加,从而导致功率管芯烧毁,因此,需要增加负压保护电路,保证栅压未加电时漏极电压不加电。放大器电路图如图1所示。

GaN功率放大器脉冲工作时,射频调制激励信号与漏压调制信号(Vds)同步,且脉冲前后沿宽度比漏压调制信号略窄,漏压调制后通过1/4波长线或扼流线圈后给GaN功率管芯的漏极加电。

GaN功率放大器栅极电压(Vgs)与TTL脉冲调制信号同时输入漏极调制和负压保护电路,才能完成漏压Vds的输出;栅压Vgs经过稳压后送给GaN功率管芯的栅极。

2GaN功率器件失效机理

2.1电压过冲致器件失效机理

GaN功率放大器在脉冲条件工作时,为了保证不损失射频脉冲信号宽度,一般漏极电压脉宽大于信号脉宽,信号脉宽嵌套在漏极电压脉宽中间。在输入微波信号突然关断时,功放的漏极电流会迅速减小,由于偏置线存在着感抗Ls会阻止电流发生突变,此时功率放大器在关断瞬间的漏极电压为:

其中:Vds为功放正常的工作电压,di/dt为功放漏极电流变化率,dt在发射波形时域上表征为发射射频脉冲下降沿。GaN功率管或芯片具有很高的射频开关速度,上升下降沿往往能达10ns以下量级。

器件正常工作时,动态负载线在击穿电压之内。当有大的过冲电压时,工作点电压拉高,动态负载线达到或接近器件开态击穿点,如图2所示,当过冲电压大于器件击穿电压后将导致器件击穿烧毁。

目前GaN功率器件的工艺水平,一般漏源之间的击穿电压约为3倍的额定工作电压Vds。通过公式推算,过冲电压应满足公式(2)[4](Vknee为功放膝点电压,GaN膝点电压一般为5V左右)。

即便漏源过冲电压没有超过GaN功率器件的击穿电压,也会导致GaN功率器件管芯漏端栅边缘的势垒层存在很高的垂直电场,从而在该区域产生很强的拉伸力。长期工作后,拉力超过管芯材料的承受极限时,引起管芯晶格断裂,导致管芯性能退化,影响长期工作可靠性。

2.2栅流产生机理及对可靠性影响

GaN功率管在雷达T/R组件发射功率放大器中的应用一般为AB类工作且饱和深度较高。当输入功率超过功率管的线性工作区间时便会产生栅流,对应的栅极电压振幅、漏极电流及对应的栅极电流如图3所示。由于输入功率过剩,栅电压将超过正常工作范围,超出部分用虚线表示,此时图3中的点P和点Q只表示栅电压的摆幅范围,不代表实际的负载线。随着输入功率的增大,刚开始出现的为负方向的栅电流,如图3(a)所示。进一步增大输入功率,正向栅电压将超过栅二极管自建电场,此时开始出现正方向的栅电流,如图3(b)所示。由于栅极电阻的存在,栅流会导致实际加到功率管栅极的栅压发生变化,从而引起功率管工作点的漂移和功放的不稳定。

2.3工作结温过高导致器件失效机理分析

GaN器件在雷达中主要应用于大功率发射组件,高压、高功率、长脉宽和高占空比是其应用特点。这种应用特点导致功率管管芯会产生大量的热量,而这些热量如果不能及时耗散,则会引起器件管芯结温明显升高。管芯结温越高,就会越快地加速管芯内部欧姆接触以及肖特基的退化、金属电极与材料的相互扩散以及表面钝化层介质的退化,影响长期工作可靠性。另外,高温下热电子发射因为势垒高度的降低而变得更为强烈,器件的栅泄漏电流成倍增大,使得栅特性明显变差,影响器件工作可靠性。

3应用可靠性提升措施

3.1漏极电压过冲管理

首先,可以通过减小寄生电感的方式来减小漏极电压过冲。而减小寄生电感的方式主要有加粗馈电线来减小馈电电感或1/4波长线的电感量或在漏极调制输出端加合适容值的电容以抵消寄生电感这两种方式[4]。加粗馈电线受到GaN功率管放大器高集成度制约,而选取电容器容值大小需要考虑电容器容值不影响功率管栅漏电源的加电时序,同时过大的漏极电容还会导致发射脉冲下降沿过大。

其次,可以通过减小功放漏极电流变化(di)的方式来减小漏压过冲。其主要方式为提升栅压来提高功率管的静态电流,减小微波信号关断的瞬间电流变化。这种方式会导致GaN功率放大器的工作效率降低,另外释放静态电流后,使得器件的增益提高导致工作稳定性下降,容易产生器件自激等问题。

第三,可以通过时域波形整形来减缓发射脉冲下降沿速度改善漏压过冲。具体说就是利用GaN功率放大器的漏极调制电路的输出漏压调制信号作为最终射频输出波形,射频激励脉冲波形套在脉冲调制波形的外面,如图4所示。

利用电源调制下降沿较缓的特点降低射频输出信号的开关速度,可使得GaN功率器件的发射射频输出信号下降沿变为100ns左右。

图5为一款S波段GaN功率管在上升、下降沿为10ns时的电压过冲仿真图,功率管的工作峰值电流为14A左右,漏极电压Vds的过冲电压达90V以上。当器件的工作频率为P波段时,漏极馈电1/4波长线因电尺寸因素产生的电感量为S波段功率器件的好几倍,如不采取抑制过冲手段,在管芯的漏极产生的过冲电压就会明显超过GaN管芯的正常工作电压。

当上升、下降沿变为100ns时,过冲电压降为60V左右,两种下降沿对应的漏压过冲幅度比较如图6所示。

3.2栅压稳定性管理

如图1所示的功率放大器电路原理图,栅极加电到GaN功率管栅极串联有电阻R1,假设栅流为Ig,则GaN功率管栅极电压Vgg=-2.8+R1×Ig,当出现栅流后,GaN功率管栅极电压会偏离正常工作电压,使它的工作点发生偏移,可能偏离其稳定性范围。

一般情况下,外部电源提供给放大器中所有GaN功率管的栅极电压为-5V,而不同GaN功率管的栅压有差异,因此会在GaN功率管的栅极电路附近增加一级栅极分压电路来调整栅压幅度大小。常用的栅极分压电路有两种:电阻分压和线性稳压器。其中电阻分压要考虑带载能力,阻值的选取要注意栅流的大小,以避免栅压被拉偏。稳压器的电流能力应在器件最大栅流范围内,并选择可提供双向栅流的稳压器,可以很好地提高栅极电压稳定性。

3.3管芯工作结温管控

GaN功率管管芯结温受多重因素影响,如GaN功率管管芯工作效率和功率密度、多管芯合成应用时的不同管芯之间的幅相平衡度、管芯衬底的热导率、功放模块的热导率、焊接材料或界面材料的热导率、冷却换热效率等。同时,在实际工程应用中需要考虑到焊接工艺中的温度梯度、导热材料的热膨胀匹配度、元器件或组件的可装配性以及可维修性等因素。

从GaN功率管应用层面来说,改善GaN功率管管芯结温的措施主要有:1)通过管芯或匹配电路设计优化来改善结温。主要手段有:①通过提升功率放大器效率来降低热耗,改善管芯工作结温;②通过调节管芯漏极与匹配电路金丝来改善管芯内部不同管包之间热均匀性以及功率合成不同功率管芯的结温的均匀性来改善管芯结温,效果如图7所示。

2)管芯衬底材料选择。目前主流管芯的衬底材料为Si和SiC衬底,Si衬底材料的热导率为150W/(m·K),SiC衬底的理论热导率为490W/(m·K),适合作为更高功率量级的GaN功率管芯衬底。未来随着管芯功率密度进一步提升,需要采用更高热导率材料(如金刚石材料等)作为管芯衬底材料。金刚石热导率高达1350W/(m·K),能够大幅提升管芯的功率密度,改善管芯结温。

3)管芯到冷板之间接触热阻改善。影响管芯到冷板之间接触热阻大小的因素包含功率管管壳或功率载片金属载板的导热率以及功放模块外壳材料的导热率、管芯焊接材料导热率。管壳或功率载片载板的材料主要为钼铜或铜钼铜,功率放大器微组装模块考虑到热膨胀系数的匹配性,一般采用铝硅材料,但铝硅材料的导热性能相比普通铝材较差,目前也在考虑其他更高导热系数的铝合金材料如铝硅碳等。管芯与钼铜或铜钼铜管壳或载板之间的焊接手段主要有金锡焊接、高温导电胶粘接和纳米银浆粘接技术,其中金锡焊接是目前高功率情况下主流焊接手段,而高温导电胶虽然工艺简单,但导热率较低,仅适用于低功率功率管,纳米银浆粘接技术由于在高低工作结温条件下均具有较低接触热阻成为未来技术趋势。

图8给出了一款S波段GaN功率微组装载片在雷达T/R组件或功放组件中应用的导热路径图。

表1给出了T/R组件或发射组件目前常用热层材料的热导率和热膨胀系数对比情况。

4)液冷技术改进提高换热效能来改善GaN管芯结温。目前主流手段为在管芯正下方的冷板设计流道通常规冷却液。流道设计方面在热源下部的流道内嵌入矩形强化肋,利用矩形肋片增加扰动和湍流度,增大散热面积,提高冷板换热能力。冷却媒介方面,两相流技术正在成为趋势,T/R组件或发射功放组件冷板的流道中的冷却液为液态氟利昂,利用氟利昂局部升温后气化的特性,增加局部管芯下部温度过高区域的热传递速度来改善冷板局部温度高导致的管芯结温升高的问题。

未来,基于SiC衬底或金刚石衬底的片内微流散热技术将得到更多应用。该设计技术是利用衬底背面和热沉的流道相结合的方式,使热沉中的流体通过分流直接流经芯片热源区域下端的衬底,而内部流体则采用的是冷冻液,进而实现芯片近结区的高效热交换冷却的目的。

3.4长期工作可靠性试验验证

式中:dM/dt表示温度为T时的物质化学反应速率;Ea称为激活能(eV),GaN微波功率器件的激活能一般可取Ea=1.6eV;K是玻尔兹曼常数;A是常数。按以往类似器件的经验,取激活能Ea=1.6eV,根据式(4)可推导不同温度时的加速系数τ:

式中:T1—器件正常偏置工作状态下的沟道温度;T2—器件高温寿命加速状态下的沟道温度,一般为器件能够达到最高工作结温220℃左右。

以某S波段GaN功率放大器为例,输出功率为250W(峰值),可靠性预计值为λ≤0.8×10-6/h;采取了过冲电压控制、栅压控制以及结温控制等措施后,在最大脉宽和工作比以及70℃热台条件下,测得管芯的最高结温为145℃。在130℃热台(设备所限)通过提高功率载片的脉宽和工作比方式将管芯的最高结温提升至220℃(红外热像仪实测数据),算出τ=859。依据GB5080.4中对可靠性测定试验的点估计所规定的方法,置信度60%时器件失效率计算公式如下:

其中,X为置信度符号;r为失效数;T?为试验累计元件小时数。

4结论

GaN高功率器件的长期可靠性主要受高漏压电场应力、栅压稳定性以及热应力等因素的制约。通过对GaN高功率器件在脉冲应用背景下产生高漏极过冲电压产生机理分析、影响栅压稳定性机理分析以及过高管芯结温产生分析,给出了GaN高功率器件在实际工程应用情况下采取的管控措施以提升长期工作可靠性。对基于GaN高功率器件的发射功放组件设计具有参考价值。

作者:江元俊、王卫华、郑新(中国电子科技集团公司第十四研究所)

THE END
1.电子产品的“寿命”到底是什么?其实,准确的概念应该是“可靠寿命”,即满足某个可靠度水平的寿命,有人说“没有给出可靠度的寿命都耍流氓”。对于电子产品(指数分布),MTBF这个寿命值对应的可靠度只有百分之三十八。 所属分类:中国商务服务网/检测认证 注册资本100 主营产品有害物质检测,安规检测,EMC检测,环境安全检测,电子电器产品可靠性与失效分https://shenzhen.11467.com/info/13531784.htm
2.测试技术第004篇电子元器件的寿命可靠性MTTFFITFIT = Failure in Time,寿命可靠度。单位是 10^9 hr^-1,也就是“个每10亿工作小时”。 二者“在数值上”是倒数关系,即 FIT = 1 / MTTF。在GJB 299中有相关的定义。虽然这是针对机械零件的,但是似乎也被电子元器件行业所引用,而且看起来符合性还不错。 https://mbb.eet-china.com/blog/4061550-454889.html
3.《电子元器件的可靠性》——2.3节可靠性基本术语和主要特征量2.3.5 寿命 寿命是定量表征电子元器件可靠性的又一类物理量,由于可靠性是一种统计概念,因此,在某一个特定电子元器件个体失效之前,难以标明其确切的寿命值,但明确了某一批电子元器件产品的失效率特征后,就可以得到表征其可靠性的若干寿命特征量。 1.平均寿命μ https://developer.aliyun.com/article/118388
4.可靠性工程(精选十篇)有效性 贮存寿命 11.可靠度:产品在规定条件下和规定的时间内,完成规定功能的概率,记作R(t),R(0)=0;R(∞)=1 12.可靠度估计:R^(t)=ns(t)/ n;ns(t)= n-nf(t):规定时间内完成规定功能的元件的个数 13.累积失效概率:产品在规定条件和规定时间内失效的概率,其值=1-可靠度,可以说产品在 规定条件https://www.360wenmi.com/f/cnkeyg1436xe.html
5.电子元器件可靠性分析与设计优化指南简介:电子元器件的可靠性是保证电子设备稳定性和寿命的关键因素。本指南涵盖从设计到制造全过程中的可靠性评估方法,包括失效模式和效应分析(FMEA)、应力分析、实验测试和材料选择。此外,还强调了冗余设计、合理布局布线以及制造和维护过程中的质量控制对提高元器件可靠性的重要性。通过本指南,读者可以深入理解电子元器件https://blog.csdn.net/weixin_29215509/article/details/141833544
6.《电子元器件的可靠性》——3.6节恒定应力加速寿命试验对于可靠性高的电子元器件进行长期寿命试验,无论是从成本还是从时间上来看,都是不合算的,甚至是不可能的。例如,人造地球卫星上所使用的电子元器件,要求失效率小于2.6×10-8/小时,如果要验证它,抽取1000个元件进行试验,若允许5个元件失效,则需试验22年。而对可靠性要求更高的元件,如果要求失效率小于10-10/小时,https://www.pianshen.com/article/76021834608/
7.电子元器件的寿命试验属于什么电子元器件寿命周期有多久→MAIGOO通过这种试验,可以了解元器件在经历多次接通和分断操作后的性能衰减情况,以及是否满足规定的可靠性要求。寿命试验的目的在于验证设备的可靠性特征值是否符合其规定的可靠性要求,通过模拟各种应力条件下的操作,评估元器件的耐久性和使用寿命。 二、电子元器件寿命周期有多久https://www.maigoo.com/goomai/320062.html
8.器件可靠性工作第Ⅲ区(耗损失效阶段):大部分器件相继失效,失效是由全局性的原因(老化、磨损、损耗、疲劳等)造成的。主要是“材料的寿命到了”。 图2 Wolfspeed 可靠性报告中的浴盆曲线 浴盆曲线是大量电子原件的统计规律。在实际中元器件不一定都会出现上述的三个阶段,在成批的电子元器件中,有的元器件失效率曲线是递增型、有些https://www.mitksemi.com.cn/news_details_381525.html
9.半导体器件的贮存寿命–可靠性网半导体器件的贮存寿命 张瑞霞,徐立生,高兆丰 1 引言 高可靠半导体器件在降额条件(Tj=100℃)下的现场使用失效率可以小于10-8/h,即小于10Fit,按照偶然失效期的指数分布推算,其平均寿命MTTF大于108h,即大于10000年。据文献报导,电子元器件的贮存失效率比工作失效率还要小一个数量级,即小于1Fit。 https://www.kekaoxing.com/80192.html
10.电子元器件寿命试验简介电子元器件寿命试验简介 寿命试验是评价、分析产品寿命特征的试验,它是在实验室条件下,摸拟实际工作状 态或储存状态,投人一定样品进行试验,试验中记录样品失效的时间,并对这些失效时间 进行统计、分析,以评估产品的可靠性数量特征(如可靠度、失效串、平均寿命等),作为可 靠性预测、可靠性设计、制定筛选条件、制定例行http://www.shshangqi-test.com/shangqi-Article-150890/
11.元器件质量保证与可靠性检测元器件质量保证中心是承担包括电子元器件、电子系统可靠性检测和工程技术服务,集检测试验、技术服务、科学研究、教学实践四位一体的元器件可靠性综合机构。挂靠“电子元器件DPA实验室”、“电子元器件北京第二检测中心”等省部级重点试验室。具备一流的检测和技术服务团队,立足于电子元器件全寿命过程可靠性工作需求,建立https://rse.buaa.edu.cn/gcfw/yqjzlbzykkxjc.htm
12.可靠性寿命试验中寿命与应力的关系可靠性寿命试验中寿命与应力的关系: 应力与寿命是密切相关的。应力的种类与水平,是决定产 品寿命的一个重要因素I应力及其水平的选择是否恰&将决 定试验能否达到预期的目的,因此,有必要研究它们之间的关系。 产品的寿命与应力之间的关系,是以一定的物理模型为依据的。常见的物理模型有失效率模型,应力与强度模型,最弱http://www.zhenghangsy.net/news/97118431.html
13.电子元件的寿命试验——MTBF如果为了减少测试时长可在不影响失效机理条件下用增加地应力方法进行实验,这便是加速寿命试验。根据寿命试验能够对产品稳定性水准作出评价,并且通过品质意见反馈来提升新质量可靠性水准。 在适合工作性质下元器件使用期限期内的常见故障率很低。电子元件的使用寿命,与操作温度是密切相关的。以主板上常见的也常常出故障的http://tst23638717.cn.trustexporter.com/sell/o10947914.htm
14.芯片高温老化寿命试验(HTOL),芯片可靠性验证:HTOLHASTHTSL广州广电计量检测股份有限公司(GRGT)是原信息产业部电子602计量站,经过50余年的发展,现已成为一家全国化、综合性的国有第三方计量检测机构,专注于为客户提供计量、检测、认证以及技术咨询与培训等专业技术服务,在计量校准、可靠性与环境试验、元器件筛选与失效分析检测、车规元器件认证测试、电磁兼容检测等多个领域的技http://www.smarto-lab.com/items_show_2.html